物理学者のチームは、外部刺激に応じて独自に調整可能で、エネルギー効率の高いコンピューティングおよび量子技術の開発を前進させる可能性がある新しいタイプの超伝導材料を発見した。高度な研究技術によって達成されたこの画期的な進歩により、前例のない超電導特性の制御が可能となり、大規模な産業用途に革命をもたらす可能性があります。この材料は、次世代産業用エレクトロニクスの超電導回路への利用が期待されています。

産業用コンピューティングのニーズが高まるにつれ、そのニーズを満たすために必要なハードウェアのサイズと消費電力も増加します。超電導材料はこの問題を解決できる可能性があり、エネルギー消費を大幅に削減できます。常時稼働しているサーバーで満たされた巨大なデータセンターを絶対零度近くまで冷却し、驚異的なエネルギー効率で大規模なコンピューティングを可能にすることを想像してみてください。

超電導研究の画期的な進歩

ワシントン大学と DOE のアルゴンヌ国立研究所の物理学者は、このより効率的な未来の実現に役立つ可能性のある発見を行いました。研究者らは、外部刺激に特に敏感で、その超伝導特性を自在に強化または抑制できる超伝導材料を発見した。これは、エネルギー効率の高い切り替え可能な超電導回路に新たな機会をもたらします。この論文は Science Advances に掲載されました。

超伝導は物質の量子力学的な相であり、電流が抵抗ゼロで物質を流れることができます。これにより、完璧な電子伝達効率が得られます。超電導体は、磁気共鳴画像法、粒子加速器、核融合炉、さらには浮上列車などの先進技術における最も強力な電磁石に使用されています。超伝導体は量子コンピューティングにも使用できます。

挑戦と革新

今日の電子機器は、半導体トランジスタを使用して電流のオンとオフを素早く切り替え、情報処理に使用される 2 進数の 1 と 0 を生成します。これらの電流は有限の抵抗を持つ材料を通って流れる必要があるため、エネルギーの一部は熱の形で無駄になります。時間が経つとコンピューターが熱くなるのはこのためです。超電導に必要な温度は非常に低く、多くの場合氷点下 200 度以上であるため、これらの材料はハンドヘルド機器での使用には適していません。しかし、産業規模での使用を想像することはできます。

ワシントン大学のシュア・サンチェス率いる研究チームは、並外れた調整能力を持つ珍しい超伝導材料を研究しました。この結晶は、鉄、コバルト、ヒ素原子の超伝導層の間に挟まれた強磁性ユーロピウム原子の平らなスラブで構成されています。サンチェス氏は、通常、一方の相が他方の相を圧倒するため、自然界で強磁性と超伝導の両方が見つかることは極めてまれであると述べた。

「これは実際、超電導層にとって非常に不快な状況だ。周囲のユウロピウム原子の磁場が超電導層を貫通するため、超電導性が弱まり、抵抗が有限になるからだ」とサンチェス氏は語った。

先進的な研究技術と成果

これらの段階間の相互作用を理解するために、サンチェス氏はアルゴンヌにある DOE 科学局のユーザー施設である国内有数の X 線光源である高度光子源 (APS) でインターンとして 1 年間過ごしました。そこで彼はエネルギー省の科学大学院研究プログラムの支援を受けました。サンチェス氏は、APS4-ID および 6-ID ビームラインの物理学者と協力して、複雑な材料の微細な詳細を調査できる包括的な特性評価プラットフォームを開発しました。

サンチェス氏と彼の共同研究者らは、X線技術を組み合わせて、結晶に磁場を印加するとユウロピウム磁力線の方向が超伝導層と平行になるように調整できることを示した。これにより、それらの間の対立が解消され、抵抗がゼロの状態になります。科学者たちは、電気測定と X 線散乱技術を使用して、材料の挙動を制御できることを実証することができました。

「超伝導を制御する独立したパラメータの性質は、この効果を制御する完全な方法を計画できるため、非常に魅力的です」と論文の共著者であるアルゴンヌ大学のフィリップ・ライアン氏は述べた。 「この可能性は、量子デバイスの場の感度を調整する機能など、いくつかの興味深いアイデアを生み出します。」

次にチームは結晶に応力を加えたところ、非常に興味深い結果が得られました。彼らは、磁場の向きを変えなくても、超伝導が磁性を克服できるほど増強されることも、磁場の向きを変えても抵抗ゼロ状態を作れなくなるほど弱めることもできることを発見した。この追加パラメータにより、材料の磁性に対する感受性を制御およびカスタマイズできます。

「この材料は、複数の相を緊密に競合させることができ、小さな応力や磁場を加えることで、ある相を別の相より強くして、超電導をオンまたはオフにすることができるため、刺激的です」とサンチェス氏は述べた。 「ほとんどの超電導体はそう簡単には切り替わりません。」

コンパイルされたソース: ScitechDaily